光速是怎样计算出来的？
爱因斯坦是如何创立狭义和广义相对论的
——灵遁者
其实这一章，我自己认为没有必要写，因为爱氏关于狭义相对论和广义相对论的知识，随便网上一搜，就铺天盖地了。而且就内容的权威和全面性，肯定比我写的好。
但好多网友，留言说你既然在《变化》中反复提到这两个理论，就该介绍一下。并且建议我写的更加有趣和通俗点，就是别像网络上的内容那么严肃，一看就好像特别的难的样子。
其实我想说，我也写不出来难的东西，难的东西我也不会。就介绍而言，保持“爱氏相对论”原来的样子，原汁原味比通俗易懂更重要，毕竟这是科普介绍，不是在这个理论之上，所做的启发性猜想，这是两个概念。
不过没有介绍这两个理论，确实是我的遗憾。不能我认为网上有，就不需要介绍。还是要介绍的，这点感谢书友的建议。
一开始，我来讲一个看过的视频。记者采访当今中国物理学的泰斗杨振宁，问杨振宁先生谁是您的偶像，爱因斯坦算吗？
杨振宁给了肯定的回答，并且这样说道：“爱因斯坦是了不起的物理学家。因为他不止是在一件事情上做了革命性的发展，可以说20世纪最重要的三个大革命，其中两个半是他所促成的，他对于物理学的发展，可以和牛顿媲美。没有第三个人能和他们两个人比。”
杨先生所说的“两个半贡献”应该就是指狭义相对论，广义相对论，另外半个是指爱氏对于量子力学的贡献，具体应该是指光电效应，光量子理论。
再来给大家说一个故事，就是爱因斯坦在我看来，是一个很有个性的人。你们知道他写一篇物理文章是什么时候吗？是16岁，16岁的我们，大多数上的高中。
16岁的时候，他写出第一篇物理论文《磁场里以太的状态的研究》。看标题就知道是关于什么内容了。不过我们都知道，随后爱氏放弃的以太存在的观点，才创立了相对论。
所以各位，一开始，观点都不一定正确，连伟大的爱因斯坦都是这样过来的。
关于爱氏两度放弃德国国籍的事情，也让我深深震动。人都是畏惧环境，尤其是在大的浪潮环境下更是这样的。
1914年（35岁）4月，爱因斯坦接受德国科学界的邀请。迁居到柏林。8月，即爆发了第一次世界大战。他虽身居战争的发源地。生活在战争鼓吹者的包围之中，却坚决地表明了自己的反战态度。
9月，爱因斯坦参与发起反战团体“新祖国同盟”，在这个组织被宣布为非法、成员大批遭受逮捕和迫害而转入地下的情况下，爱因斯坦仍坚决参加这个组织的秘密活动。
10月，德国的科学界和文化界在军国主义分子的操纵和煽动下，发表了“文明世界的宣言”，为德国发动的侵略战争辩护，鼓吹德国高于一切，全世界都应该接受“真正德国精神”。
在“宣言”上签名的有九十三人，都是当时德国有声望的科学家、艺术家和牧师等。就连能斯脱、伦琴、奥斯特瓦尔德、普朗克等都在上面签了字。当征求爱因斯坦签名时，他断然拒绝了，而同时他却毅然在反战的《告欧洲人书》上签上自己的名字。
当祖国错了的时候，他能理性爱国；当别人服从的时候，他能坚持自己。伟人的人，不仅有伟大的贡献，更是有伟大的人格。爱因斯坦之所以名满世界，大概就源于此吧。
关于爱氏的故事，还有很多，大家可以自己找找。回到我们的主题，来介绍一下狭义相对论和广义相对论。而且我尽可能讲一些你们在网络上没有看到过的，你们在平日里，没有思考到的。我觉得这才是你们要的，也是我要给你的。
在开始的时候，我就要说明这两个理论的基础。然后你们再跟着这些基础来理解爱氏的理论。
1、狭义相对论是建立在狭义相对性原理和光速不变原理之上。那什么是狭义相对性原理，什么是光速不变？
狭义相对性原理：一切物理定律（力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律）在所有惯性参考系中都是等价（平权）的，没有一个惯性系具有优越地位，不存在绝对静止的参考系（以太），从而否定了“以太说”和绝对空间。
值得一提的是，这个原理其实是伽利略相对性原理的推广，也就是说伽利略是第一个思考惯性中物体运动的变化的人。这个我在《变化》里最初的几章内容中着重讲过。非常重要的理论概念！
可以说不理解惯性，惯性系，非惯性系的情况下，你要深刻理解相对论，是做不到的。
我也因为考虑了惯性，惯性系和引力，引力场的关系后，得出引力是惯性的源泉。
光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
2、广义相对论建立在广义相对性原理和等效原理之上的。那什么是广义相对性原理？什么是等效原理？
广义相对性原理：所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。
很明显，广义相对性原理是狭义相对性原理的拓展。
等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。
在这里我强调两个点：
1、广义相对论不光是建立在广义相对性原理和等效原理之上，还是建立在狭义相对论之上的理论。也就是说上面提到的“四个原理”，都必须满足，广义相对论才成立。如果狭义相对论被证明是错误的，那么广义相对论也是。
2、关于光速不变原理的理解。注意再看一遍：光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
这个问题的严峻性，就好比我问你：现在的光速值被认定为299,792,458 米每秒。假如100年后，光速值的测量，变为299792458.001米每秒，那么你会说爱氏的相对论是错误的吗？
我现在再问你一遍，是对的，还是错的？思考一分钟，再往下看吧。
很显然就原理所述而言，没有一点毛病，即使100年后光速测量变为299792458.001的时候，爱氏的相对论依然是正确的。因为对于任何观测者而言，光速都是这个值，光速是不变的。
那么为什么说超光速下，爱氏的理论是错误的？ 再思考一分钟，你再往下看。
其实准确的理解应该是深刻的，而不是数字上的。在超光速下，光速自然不是不变的，也就是对于不同的观测者光速不同。光速不变性原理不存在，爱氏理论自然就不攻自破了。
那么我再来升级一下问题，100年后所测的光速值，比现在光速快10米每秒，此时爱氏的理论正确吗？
你不用思考一分钟了，直接回答吧。答案是：爱氏的理论依然正确。
如果你看了我《变化》中关于光速，空间，物质的概述，没有领会到这一点，你白看了。
而且上面也说了，不要追求数字上的理解，去追求本质上的理解。100年后，光速值比现在增加10米，如果是对所有观测者而言的，那么理论依然就是正确的！
好了，你有问题要提问吗？ 提问给你5分钟时间，你来提问。而且你必须提问。没有问题，你就没有看清楚我上面所说的事情。
好吧，没有时间等你了。但肯定有聪明的朋友会问：“你说了什么啊！上面说光速不变，现在说100年后光速值比现在每秒快10米，你不自打脸吗？赶紧回家，别丢人了！这么弱智的问题，你都想不到！”
各位，这位同学说的话粗糙了点，但理确实不粗糙，很细。哈哈，我有种想笑的感觉，突然觉得之前写的好多篇章，还是太严肃了。课堂气氛不行。
现在该怎么回答这个同学的提问，你能替我回答一下吗？所以再返回来，再看一遍光速不变原理：光速不变原理是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。
哈哈，这已经是第三次让大家看这个概念了。你现在应该终于体会到我为什么想笑了。就一个写的明明白白的原理，怎么理解起来，那么费劲呢！
好了，看看关键词吧：真空中，光速，任何观测者，相同。我列出了我认为是关键词的四个词。
在你要分析我给你列出的这四个关键词时，我要告诉你分析它们能让你开始怀疑人生。别问我怎么知道的，我就怀疑过！
1、真空中，这是环境要求，条件。这里面也包含一个定理，估计包括我在内的所有人都赞同。那就是“真空不空。”至于怎么个不空法，在这篇文章中就没法细说了，篇幅有限。但大概就是退相干性理论，时空微扰理论。这个我在《见微知著》中后面的一些篇幅中谈论过。
2、光速。就两个字，包含很多。光速是一个数值，表述的时候，我们会说每秒多少米。发现问题没？也就是影响光速的定义里，必然包含米的定义，秒的定义。其实在1983年之前，光速的测定值都是不严格确定的。
为了让大家知道这个事情，还是读读下面文字：20世纪下半叶，光速的测量准确度随着谐振腔和激光干涉仪的发展而不断地提升。另一方面，更精确的米和秒的定义也陆续被认可。
1950年，路易斯·艾森用谐振腔所得出的光速值为299,792.5±1 km/h。这在1957年的第12届无线电学联合会大会上得到采纳。1960年，米被重新定义，基础是氪-86的某个谱线的波长。1967年，秒也被重新定义，基础是铯-133基态的超精细跃迁频率。
1972年，位于美国科罗拉多州波德的国家标准技术研究所利用激光干涉法测定光速，得出c = 299,792,456.2±1.1 m/s，其精度比之前的测量高100倍。剩余的不确定性主要来自米定义上的不确定性。
由于类似的实验也得出相近的光速值，所以1975年的第15届国际计量大会建议把299,792,458 m/s作为光速的数值。
1983年的第17届国际计量大会结果发现，通过测量频率并固定某一特定光速值所得出的波长比此前的长度单位定义更具有可重复性。大会保留了1967年的秒定义，使铯的超精细频率成为秒和米两个单位的定义基础。米的定义改为：“1?299,792,458秒内光在真空中所运行的距离。”
在这一定义下，光速的准确值就会固定在299,792,458 m/s，光速也成了国际单位制所定义的常数之一。
在重新定义之前，更准确的测量会使光速值变得更为精确；但在1983年以后，对氪-86以及其他光源的更准确测量不会再改变现有的光速值，而是会增加米单位的精确度。
好了，这个简单内容，对于很多人而言，是枯燥的。但大概意思大家应该懂了。就是说光速的定义不是那么简单的，也牵涉到米和秒的定义。
3、任何观测者。就是指任何客观存在的人和物。
4、相同。这个概念不解释，也无法解释。解释起来，也够让我怀疑人生！
好了，这就是关于光速不变原理四个关键词的分析。你有问题吗？
算了，我直接问吧。这四个关键词重要吗？肯定重要，但最重要的问题是光速的本质是什么？本质是什么！
我在《变化》中回答过这个问题。在这里不分析，直接说思路。光速的本质：光速【真空】是一种时空束缚态，光速为定值是时空使然。也就是时空告诉物质如何运动，这种运动就包含了以多大速度运动。光是物质，自然就遵从时空规律。
更具体的的来说是真空磁导率和介电常数，引力场共同决定了光的速度。
可是我为什么要说100年后如果光速测量值，比现在增加了10米，相对论依然是正确的。
其实说100年增加10米，有点夸大，但不是不妥。10米和1米，0.1米，在这里的性质是一样的。
那我再问你，10米和一百万亿分之一1米在这里的性质一样吗？各位是不一样的。现在给出的光速定值299,792,458 m/s，一定是确定的吗？没有一百万亿分之1米的差吗？ 也就是我说现在的光速值是299,792,458.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001.对吗？肯定是对的，没有人敢否定这个误差，即使现在国际协议规定它是定值。
各位我在说什么？我再给你们说性质问题！可是增加了1米，变成299,792,459，那么谁都敢说，你这个和原来的不一样。
所以问题就清楚了，我要解释为什么100年后光速变成了299,792,459，增加了1米，我还认为相对论是成立的。
因为宇宙中唯一不变的就是变化，我在《变化》序言中就写道了这句话。我一直也将这个思路贯穿整本书。
而且宇宙是非线性波动的，也是开放性的。即宇宙不是一成不变的，那么光速是一种宇宙时空束缚态，宇宙发生了缓慢的变化，光速出现变动，而且必须是全域性的变动，那么对于我们而言，光速就是不变的。
也就是说时空束缚态有了松动，光速会增加，以我们无法察觉的形式有了变化。也就是光速不变原理是成立的，对于任何观测者而言，光速是一样的。
我觉得必须给你们一个案例，你们才能更好的理解。我们知道河槽宽的地方，河流流速缓慢，而河槽窄的地方，河流流速较快。等量的河水，我让河槽窄的地方，比原来窄上100万亿分之1米，那么窄的地方河流的流速有变化吗？理论上有变化，可是实际呢？实际是没有变化的，因为这样微小的变化，至少人类是无法测量出来的。
而宇宙更是庞大无穷时空体系，我这样解释，你懂了吗？仔细考虑一下。
所以从宇宙角度来说，光速是可变的，但光速不变原理却是成立的。因为光速不会今天是这个速度，明天是那个速度。要深刻理解光速不变原理。
还有一点我强调一下，因为害怕大家有惯性思维，就想不到这点。比如100年光速的测量值，比现在慢了0.1米，那么相对论成立吗？
很显然是成立的！ 所以有“超光速”的概念，就一定要有“慢光速”概念。可是大家都没有意识到这点。 快和慢当然都是相对于“现在的光速”而言的。
还有一点再强调一下，很多科学家认为，宇宙大爆炸开始时候，光速比现在快。你一定看到过这样的新闻和科普知识，但你听过他们怎么解释吗？ 去搜一下。
哈哈，去搜了吗？ 你会发现，你其实没有搜到任何东西。对于这个问题解释，科学家无能为力的原因太多了。宇宙自身的膨胀速度大于光速，说明什么？说明宇宙膨胀的速度是大于光速吗？
宇宙自身膨胀的速度大于光速，肯定是以现在的光的速度而言的，至于几百亿年前宇宙爆发时候，光速是多少？我们其实很难知道了。但我在我的书中提到过，我其实是反对大爆炸理论的，至少持高度怀疑态度。原因也是出于上述原因。承认大爆炸理论，就必须承认那个时候，相对论不管用。这仅仅是其一。更多的大家思考一下吧。也可以去看看我之前的文章。
很多人可能会骂我，当然已经有人骂过我了。不过也有人夸我的。我很有自知之明，我不是傻x，也不是天才，我只是思考你们不常的思考的问题，我将我思考的答案写出来。当然我不能保证这些思考都是对的，有价值的。我能力，学历很有限。确实博士生随便几个问题抛过来，我就傻眼了。
等等，好像有点跑题了，继续回到论述中来。
我不知道爱氏在做出这个原理判断时候，是否也考虑了我想过的问题。他是否问过自己：“光速的本质是什么？”
好了，关于等效原理等，其实也值得深入分析。你分析一下吧。看看有什么值得分析的地方。
接下来是介绍爱氏创立狭义相对论和广义相对论的介绍了，介绍就意味着我要保持它的原汁原味了。
早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。
17世纪的笛卡尔和其后的克里斯蒂安·惠更斯首创并发展了以太学说，认为以太就是光波传播的媒介，它充满了包括真空在内的全部空间，并能渗透到物质中。与以太说不同，牛顿提出了光的微粒说。
牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，到19世纪，却是波动说占了绝对优势。这短历史我在《见微知著》中写的很详细了。
以太学说发展，人们认为：波的传播需要媒质，光在真空中传播的媒质就是以太。与此同时，电磁学得到了蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波，从而统一了光的波动理论与电磁理论。
以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太，相反，迈克耳逊莫雷实验却发现以太不太可能存在。
电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却发现，与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量；然而按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同。也就是麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖！
爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。他认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系以太的存在。
他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。
爱氏喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收营养，他相信世界的统一性和逻辑的一致性。在“奥林匹亚科学院”时期对大卫·休谟对因果律的普遍有效性产生的怀疑，对爱因斯坦产生了影响。
相对性原理已经在力学中被广泛证明，在电动力学中却无法成立，对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对性原理应该普遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。
光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。
19世纪末，马赫在所著的《发展中的力学》中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。我在《变化》在讨论惯性的时候，也引述马赫原理。所以马赫这个对爱氏的启发是很大的。
突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。
爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。
牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。
在这篇文章中，爱因斯坦没有讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。
什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何测出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？
答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是无意义的。
大家体会到这个概念的重要了吗？我在上面的各种提问，其实已经够深入了。
相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。
爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc^2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。以上就是爱氏狭义相对论的创立过程。
摘自独立学者灵遁者科普书籍《变化》此书电子版淘宝有。
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